龍順宇，王連明，趙廣宇，胥勛偉

（1.海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南三亞，572022；2.成都為開微電子有限公司，四川成都，610093）

0 引言

針對(duì)串口擴(kuò)展的實(shí)際需求，各集成電路廠商推出了多種專用芯片[1]，市面上常見的串口擴(kuò)展芯片就有CH438Q、GM812x 系列、ST16C554D、SP2538 等[2～4]。此類芯片通常只支持一種主接口類型[5]，各自的功能差異較大[6]，有的不能支持寬電壓供電[7]，有的不支持子串口參數(shù)的差異化配置[8～9]，有的不具備RS485 自動(dòng)收發(fā)控制[10]，有的不支持自動(dòng)流量控制，還有的讀寫過程僅支持小數(shù)據(jù)量的寄存器方式，不支持連續(xù)數(shù)據(jù)量的FIFO 方式[11～12]，故而設(shè)計(jì)人員在芯片選型時(shí)會(huì)產(chǎn)生困擾。本文選用WK2168 芯片設(shè)計(jì)的串口擴(kuò)展器就可以對(duì)接這些需求，支持多種主接口類型，可按需應(yīng)用于不同的設(shè)計(jì)場(chǎng)景之中。

1 擴(kuò)展器組成框架

因?yàn)閃K2168 芯片支持4 種模式的主接口[13]，故而在對(duì)接實(shí)際主控制器時(shí)應(yīng)事先確定接口類型，用戶可通過擴(kuò)展器的MD0 和MD1 引腳進(jìn)行模式選擇[14]，改變這兩個(gè)引腳上的電平組合即可調(diào)整接口引腳的復(fù)用功能，最終改變芯片內(nèi)部主接口的轉(zhuǎn)換邏輯，本文設(shè)計(jì)的串口擴(kuò)展器組成框架如圖1 所示。

圖1 WK2168 串口擴(kuò)展器組成框架圖

圖中虛線框內(nèi)部分即為WK2168芯片的內(nèi)部組成單元，主接口轉(zhuǎn)換邏輯單元負(fù)責(zé)解析來自外部設(shè)備主控制器下達(dá)的命令，在內(nèi)部總線的連接下將數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)傳送至各單元，每個(gè)子通道串口都具備一套獨(dú)立的寄存器，包含了收發(fā)FIFO 暫存器、收發(fā)流量控制寄存器、波特率發(fā)生器和收發(fā)移位寄存器，這些寄存器和端口電路的工作狀態(tài)及配置都受控于子通道控制寄存器。若子串口內(nèi)部產(chǎn)生特定事件，將觸發(fā)中斷請(qǐng)求（實(shí)際表現(xiàn)為IRQ 引腳上的電平變化)，外部設(shè)備主控制器可響應(yīng)中斷執(zhí)行特定動(dòng)作。擴(kuò)展得到的TX1 至TX4 為串行數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RX1 至RX4 為串行數(shù)據(jù)接收引腳，RTS1 至RTS4 為請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)引腳，CTS1 至CTS4 為清除發(fā)送信號(hào)引腳。

2 擴(kuò)展器硬件設(shè)計(jì)

串口擴(kuò)展器的電路原理如圖2 所示，U1 即為WK2168芯片，芯片32 腳MD0 和33 腳MD1 的4 種電平組合決定了MP0至MP3引腳的具體功能。若MD0、MD1取值為“00”，則MP0 至MP3 用作SPI 接口；取值為“01”則用作I2C 接口，取值為“10”則用作8 位并口總線接口，取值為“11”則用作UART 接口。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，MD0 和MD1引腳內(nèi)建了上拉電路，懸空時(shí)默認(rèn)為“11”狀態(tài)，MP0 至MP3 引腳則需要外加上拉電阻。

圖2 WK2168 核心電路原理圖

DAT0 至DAT7 為并口數(shù)據(jù)總線引腳，若主接口不用做并口時(shí)可將其當(dāng)作GPIO 使用。D1 和R10 構(gòu)成了供電指示電路，系統(tǒng)供電支持2.5V～5.0V 寬電壓范圍，C2 和C3 為電源進(jìn)行濾波和去耦（在PCB 布局時(shí)應(yīng)盡量靠近電源類引腳)，R11 為中斷引腳IRQ 的外部上拉電阻（以確保IRQ引腳在未產(chǎn)生中斷信號(hào)時(shí)保持為高電平狀態(tài))。

R12和C5為WK2168提供上電復(fù)位信號(hào)（低電平有效)。R5、Y1、C1 和C4 構(gòu)成了外部石英晶體振蕩電路（在PCB布局時(shí)應(yīng)盡量靠近時(shí)鐘引腳，若有地網(wǎng)絡(luò)的覆銅層還應(yīng)增加過孔減少寄生參數(shù)影響)。

WK2168 芯片擴(kuò)展的4 路子串口均遵循正邏輯TTL/COMS 電平標(biāo)準(zhǔn)，若需要將其對(duì)接DB9 接口的外部設(shè)備則需要添加額外的電平轉(zhuǎn)換單元，將TTL/COMS 電平標(biāo)準(zhǔn)適配到RS232 標(biāo)準(zhǔn)（可基于MAX3232 芯片搭建相關(guān)電路單元)。

除此之外，實(shí)際場(chǎng)景中還有很多傳感器設(shè)備、執(zhí)行器設(shè)備是RS485 接口，對(duì)接此類接口時(shí)可以添加RS485 收發(fā)電路（可基于MAX3485 芯片搭建相關(guān)電路單元)，合理利用子串口的RTS 引腳實(shí)現(xiàn)RS485 電路的自動(dòng)收發(fā)功能。RTS引腳的默認(rèn)電平狀態(tài)可通過程序配置，當(dāng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，RTS 引腳控制RS485 收發(fā)器芯片的DE 和RE 引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收時(shí)，RTS 就會(huì)反向控制RS485 收發(fā)器芯片進(jìn)入接收模式。值得一提的是WK2168 芯片的每個(gè)子串口通道都支持9 位網(wǎng)絡(luò)地址的自動(dòng)識(shí)別，每個(gè)子串口都有一個(gè)唯一地址，還具備網(wǎng)絡(luò)地址寄存器和網(wǎng)絡(luò)地址使能控制位，所以比較適用于工業(yè)/自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)RS485 總線下的控制場(chǎng)景。

3 擴(kuò)展器軟件設(shè)計(jì)

硬件搭建完畢后即可選定一種主接口形式進(jìn)行程序編寫，以測(cè)試擴(kuò)展器數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

若選擇8 位并口作為主接口，則需先將主接口模式配置引腳MD0 和MD1取值為“10”，此時(shí)MP0 用作數(shù)據(jù)地址AD 選擇引腳，MP1 用作讀信號(hào)RD控制引腳，MP2 用作寫信號(hào)WR 控制引腳，MP3 用作片選CS 控制引腳，DAT0至DAT7 為8 位數(shù)據(jù)總線，將其連到主控制器的一組I/O 端口即可，操作時(shí)序上兼容傳統(tǒng)的MCS-51 單片機(jī)并行讀寫時(shí)序（P0 端口組做數(shù)據(jù)總線，P3.6/P3.7 為讀寫控制線)。

若選擇三線異步UART作為主接口，則需先將主接口模式配置引腳MD0 和MD1 取值為“11”，此時(shí)MP0 和MP3 引腳不用，MP1 用作主接口串行數(shù)據(jù)發(fā)送MTX 引腳，MP2 用作主接口串行數(shù)據(jù)接收MRX 引腳，操作時(shí)序上與WK21xx 系列芯片中的WK2114 芯片一致[15]。

若選擇四線SPI 作為主接口，則需先將主接口模式配置引腳MD0 和MD1 取值為“00”，此時(shí)MP0 用作主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出MISO 引腳，MP1 用作主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入MOSI 引腳，MP2 用SPI 串行時(shí)鐘SCLK 引腳，MP3用作SPI 片選SSEL 引腳，操作時(shí)序上與WK21xx 系列芯片中的WK2124 芯片一致[16]。

若選擇兩線I2C 作為主接口，則需先將主接口模式配置引腳MD0 和MD1 取值為“01”，此時(shí)MP0 用作串行數(shù)據(jù)SDA 引腳，MP1 用作I2C 器件低位地址IA0 引腳，MP2 用串行時(shí)鐘SCL 引腳，MP3 用作I2C 器件高位地址IA1 引腳，操作上與標(biāo)準(zhǔn)的I2C 時(shí)序類似。

主控制器可操作WK2168 芯片內(nèi)部寄存器或FIFO 暫存器去控制子串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。本文以I2C 主接口為例，通過I2C 主接口寫FIFO 暫存器的操作時(shí)序如圖3 所示。

圖3 I2C 接口寫數(shù)據(jù)到FIFO 時(shí)序

在寫入時(shí)序中，當(dāng)串行時(shí)鐘SCL 線路為高，串行數(shù)據(jù)SDA 線路出現(xiàn)下降沿時(shí)便產(chǎn)生了I2C 通信時(shí)序的起始信號(hào)START。此時(shí)主控制器需要向擴(kuò)展器寫入一個(gè)命令字節(jié)Command（具體取值等于I2C 從機(jī)地址、子串口通道號(hào)和“0x22”三者進(jìn)行按位或運(yùn)算的結(jié)果)，明確本次操作為寫入FIFO，隨后寫入FIFO 寄存器地址，最后寫入數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)字節(jié)寄存器的地址會(huì)隨著寫入字節(jié)數(shù)量而自增，且每次寫入操作后都會(huì)收到來自擴(kuò)展器的從機(jī)應(yīng)答ACK 信號(hào)，寫入數(shù)據(jù)完畢后再由主控制器產(chǎn)生終止信號(hào)STOP 即可（即在串行時(shí)鐘SCL 線路為高時(shí)，讓串行數(shù)據(jù)SDA 線路出現(xiàn)上升沿)。

編程時(shí)可用C51 語言將該時(shí)序進(jìn)行描述，將具體操作封裝為WK2XXX_Write_FIFO(u8 num,u8 count,u8 *fifo_buff)函數(shù)，形參“num”為子串口通道號(hào)，形參“count”為欲寫入的字節(jié)數(shù)量，形參“*fifo_buff”指針用于指向?qū)懭霐?shù)組首地址，具體的源碼實(shí)現(xiàn)如下：

在寫時(shí)序的命令字節(jié)中，C1 和C0 位代表子串口的通道號(hào)，A0 至A3 位表示子串口寄存器的地址。因?yàn)橹鹘涌谶x定了I2C，所以P0 和P1 就代表擴(kuò)展器的從機(jī)地址，具體的取值由MP1 和MP3 引腳上的電平?jīng)Q定，時(shí)序中的ACK是來自從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。與寫時(shí)序類似，通過I2C 主接口從FIFO 暫存器中讀取數(shù)據(jù)的操作時(shí)序如圖4 所示。

圖4 I2C 接口從FIF O 讀數(shù)據(jù)時(shí)序

讀取數(shù)據(jù)與寫時(shí)序類似，先由主控制器在I2C 總線上產(chǎn)生起始信號(hào)START，然后向擴(kuò)展器寫入一個(gè)命令字節(jié)Command（具體取值等于I2C 從機(jī)地址、子串口通道號(hào)和“0x23”三者進(jìn)行按位或運(yùn)算的結(jié)果)，明確本次操作為讀取FIFO，如果收到了來自擴(kuò)展器的ACK 應(yīng)答，則可以連續(xù)讀取n 個(gè)字節(jié)，在讀取過程中FIFO 寄存器的地址會(huì)自動(dòng)增加，若主控制器不再需要讀取數(shù)據(jù)，只需發(fā)送一個(gè)主機(jī)無應(yīng)答NACK 信號(hào)到SDA 線路上，接著產(chǎn)生終止信號(hào)STOP即可。

編程時(shí)可用C51 語言將該時(shí)序進(jìn)行描述，將具體操作封裝為WK2XXX_Read_FIFO(u8 num,u8 count,u8 *fifo_buff)函數(shù)，形參“num”為子串口通道號(hào)，形參“count”為欲讀取的字節(jié)數(shù)量，形參“*fifo_buff”指針用于指向接收數(shù)組首地址。

實(shí)現(xiàn)FIFO 暫存器的讀寫操作之后就可以測(cè)試各路子串口的收發(fā)功能，可在程序主函數(shù)內(nèi)初始化相關(guān)引腳模式，隨后配置子串口波特率、數(shù)據(jù)幀格式，使能子串口通信功能，然后進(jìn)入FIFO 收發(fā)測(cè)試，可以向外輸出預(yù)設(shè)字符串信息，也可以建立多個(gè)數(shù)組，實(shí)現(xiàn)子串口自收自發(fā)功能。

4 實(shí)物制作與測(cè)試

按照硬件電路設(shè)計(jì)并制作的串口擴(kuò)展器實(shí)物如圖5(a)所示，擴(kuò)展器具備主接口和功能接口，擴(kuò)展器板載了WK2168 核心和電平轉(zhuǎn)換電路，若撥動(dòng)開關(guān)打到“R”一側(cè)則說明該路子串口遵循RS232 電平標(biāo)準(zhǔn)，打到“T”一側(cè)則說明該路子串口遵循TTL/CMOS 電平標(biāo)準(zhǔn)，用戶還可以在子串口后級(jí)連接RS485 轉(zhuǎn)換電路或者其他通信轉(zhuǎn)換單元以適配更多的場(chǎng)景需求。

圖5 WK2168 擴(kuò)展器實(shí)物與測(cè)試圖

擴(kuò)展器選定主接口后可連接到主控制器，在程序控制下即可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，實(shí)際測(cè)試過程如圖5(b)所示，用USB 轉(zhuǎn)串口單元連接擴(kuò)展器實(shí)物的某個(gè)子串口通道，然后做自收自發(fā)測(cè)試，實(shí)際發(fā)送“WK2168 CH1 TX-RX Test！”字符串，在啟用時(shí)間戳功能后看到了返回的字符串與發(fā)送一致，由此驗(yàn)證了擴(kuò)展器功能正常。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的串口擴(kuò)展器支持4 種類型的主接口輸入，兼容了市面上大部分串口擴(kuò)展專用芯片的主接口類型，所能適配的應(yīng)用場(chǎng)景較為豐富。擴(kuò)展器支持2.5V～5V 寬電壓范圍供電，能夠較好地對(duì)接常規(guī)低壓微控制器系統(tǒng)?？砂葱柽B接各類串口傳感器、串口屏、執(zhí)行器、通信模塊或單元板卡，適合作為積木模塊嵌入到實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中。

所擴(kuò)展的4 路子串口支持差異化參數(shù)配置，數(shù)據(jù)收發(fā)方式和工作模式多樣，靈活性較好。但在具體應(yīng)用時(shí)還需妥善處理FIFO 計(jì)數(shù)器狀態(tài)、FIFO 觸點(diǎn)配置、中斷控制、超時(shí)處理、數(shù)據(jù)流控制、網(wǎng)絡(luò)號(hào)識(shí)別等環(huán)節(jié)。綜上所述，該款串口擴(kuò)展器具備一定的實(shí)用價(jià)值，可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行運(yùn)用。